Эфирное цифровое телевидение DVB-T/H

464 Pages·2010·5.429 MB·Russian

by  А. В. Серов

А. В. Серов

Санкт-Петербург
«БХВ-Петербург»
2010
УДК 681.3.06
ББК 32.973.26-018.2
С32

Серов А. В.
С32 Эфирное цифровое телевидение DVB-T/H. — СПб.: БХВ-Петербург,
2010. — 464 с.: ил.
ISBN 978-5-9775-0538-3
Книга является одновременно практическим руководством и справочни-
ком по основам цифрового телевидения стандарта DVB, включая системы
условного доступа, мобильное телевидение, планирование сетей. Рассмот-
рены основы технологии цифрового телевидения, компрессирования изо-
бражения и звука (MPEG2 и H.264), построения сетей связи, передачи дан-
ных по сетям цифрового телевидения, контроля качества и др. Приведены
технические сведения из европейских стандартов ETSI и подробная инфор-
мация о современном состоянии и перспективах технологий цифрового те-
левидения стандарта DVB.
Для инженеров, студентов и радиолюбителей
УДК 681.3.06
ББК 32.973.26-018.2

Группа подготовки издания:

Главный редактор Екатерина Кондукова
Зам. главного редактора Игорь Шишигин
Зав. редакцией Григорий Добин
Редактор Юрий Рожко
Компьютерная верстка Ольги Сергиенко
Корректор Виктория Пиотровская
Дизайн обложки Елены Беляевой
Зав. производством Николай Тверских

Лицензия ИД № 02429 от 24.07.00. Подписано в печать 30.12.09.
Формат 70×1001/ . Печать офсетная. Усл. печ. л. 37,41.
16
Тираж 1000 экз. Заказ №
"БХВ-Петербург", 190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29.
Санитарно-эпидемиологическое заключение на продукцию
№ 77.99.60.953.Д.005770.05.09 от 26.05.2009 г. выдано Федеральной службой
по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека.
Отпечатано с готовых диапозитивов
в ГУП "Типография "Наука"
199034, Санкт-Петербург, 9 линия, 12

ISBN 978-5-9775-0538-3 © Серов А. В., 2010
© Оформление, издательство "БХВ-Петербург", 2010
Оглавление

От автора ................................................................................................................ 9
Введение ................................................................................................................ 13

Основные термины ............................................................................................................ 13

Порядок взаимодействия субъектов рынка ..................................................................... 15

Виды цифрового телевидения ........................................................................................... 17

"Цифра" против "аналога": особенности услуги ............................................................. 18

Наземное эфирное телевидение DVB-T/H/T2: технологии ............................................ 21

Мобильное телевидение DVB-H ....................................................................................... 25

Упрощенная структура сети цифрового телевидения ..................................................... 26
Глава 1. Сигналы и интерфейсы ...................................................................... 31

1.1. Схема соединений устройств цифрового телевидения ............................................ 31

1.2. Аналоговый композитный телевизионный сигнал и композитный интерфейс ..... 32

1.3. Сигнал и интерфейс S-Video ...................................................................................... 39

1.4. Компонентный сигнал и компонентный интерфейс ................................................ 40

1.5. Форматы сигналов цифрового видео ........................................................................ 43

1.6. SAR и DAR .................................................................................................................. 47

1.7. Интерфейс SDI ............................................................................................................ 48

1.8. Сигналы цифровых транспортных потоков и интерфейс ASI................................. 49

1.9. Интерфейс HDMI ........................................................................................................ 50

1.10. Звуковые интерфейсы ............................................................................................... 51

1.11. Потоки данных в цифровом телевидении (общие сведения) ................................ 53

1.12. Ethernet и мультикастовые потоки (MPEG over IP) ............................................... 56
Глава 2. Стандарты цифрового телевидения ................................................ 63

2.1. Обзор стандартов цифрового телевидения ............................................................... 63

2.2. Группа стандартов ISO 13818 (MPEG2) ................................................................... 64

2.3. Стандарт ITU-T H.264 ................................................................................................ 66

2.4. Стандарты и рекомендации ETSI и DVB (перечень) ............................................... 66
4 Оглавление
Глава 3. Обзор способов компрессии видео и звука ..................................... 75

3.1. Общие сведения .......................................................................................................... 75

3.2. Избыточность .............................................................................................................. 75

3.3. Степень сжатия, качество изображения и скорость цифрового потока ................. 76

3.4. Потери при компрессии .............................................................................................. 78

3.5. Сравнение качества аналогового и цифрового изображения .................................. 80

3.6. Особенности восприятия изображения и звука ........................................................ 81

3.7. Кодирование видео: основные идеи .......................................................................... 84

3.8. Кодирование аудио: основные идеи .......................................................................... 94

3.9. Стандарты кодирования видео в DVB-T ................................................................... 96

3.10. MPEG2 ....................................................................................................................... 97

3.11. MPEG2 part 10, он же AVC, он же H.264 .............................................................. 100

3.12. Углубленное сравнение алгоритмов стандартов кодирования ........................... 103
Глава 4. Элементарные потоки и NAL ......................................................... 105

4.1. Общие сведения ........................................................................................................ 105

4.2. Иерархия элементарного потока MPEG2................................................................ 106

4.3. Системные часы кодера ............................................................................................ 111

4.4. Синтаксис элементарного потока MPEG2 .............................................................. 112

4.5. Основные элементы синтаксиса элементарного видеопотока MPEG2 ................ 116

4.6. H.264 NAL ................................................................................................................. 121

4.7. Программный поток MPEG2 ................................................................................... 127

4.8. Пакетизированный элементарный поток — PES ................................................... 128
Глава 5. Транспортный поток MPEG2 ......................................................... 133

5.1. Общие сведения ........................................................................................................ 133

5.2. PCR — временной штамп программных часов ...................................................... 140

5.3. Пример: использование поля адаптации для передачи PCR ................................. 144

5.4. Модель декодера транспортного потока (T-STD) .................................................. 146

5.5. Состав служебной информации PSI/SI .................................................................... 150

5.6. Таблица размещения программ (РАТ) .................................................................... 156

5.7. Таблица сборки программ (PMT) ............................................................................ 159

5.8. Таблица условного доступа (САТ) .......................................................................... 162

5.9. Таблица описания транспортного потока (TSDT) ................................................. 164

5.10. Таблица сетевой информации (NIT)...................................................................... 165

5.11. Таблица описания сервиса (SDT) .......................................................................... 168

5.12. Таблица событий (EIT) ........................................................................................... 172

5.13. Таблица времени и даты — TDT ........................................................................... 176

5.14. Таблица временного пояса — ТОТ ....................................................................... 177

5.15. Таблица статуса — RST.......................................................................................... 178

5.16. Таблица набивки — ST ........................................................................................... 180

5.17. Таблица букета — BAT .......................................................................................... 180

5.18. Дополнительные сведения о PSI/SI ....................................................................... 182

5.19. Способы кодирования текстовой информации в PSI/SI ...................................... 183
Оглавление 5

5.20. Дата и время в таблицах PSI/SI .............................................................................. 184

5.21. Контрольные суммы в таблицах PSI/SI ................................................................. 185

5.22. Набивка (stuffing) .................................................................................................... 186

5.23. Мультиплексирование ............................................................................................ 186
Глава 6. Дескрипторы транспортного потока MPEG и PSI/SI DVB ....... 189

6.1. Общие сведения ........................................................................................................ 189

6.2. Conditional access descriptor — дескриптор системы условного доступа (0х09) ..... 190
6.3. ISO 639 language descriptor — дескриптор кодирования языка

по ISO 639 (0x10) ...................................................................................................... 190

6.4. STD descriptor — STD-дескриптор (0х17) .............................................................. 191

6.5. Network Name Descriptor — дескриптор сетевого имени (0x40) .......................... 191

6.6. Service List Descriptor — дескриптор списка сервисов (0х41) .............................. 191

6.7. Stuffing descriptor — дескриптор набивки (0х42) ................................................... 192

6.8. VBI data descriptor — дескриптор данных VBI (0x45) ........................................... 192

6.9. VBI teletext descriptor — дескриптор телетекста VBI (0x46) ................................ 193

6.10. Bouquet name descriptor — дескриптор названия букета (0х47) ......................... 193

6.11. Service descriptor — дескриптор сервиса (0х48) ................................................... 193

6.12. Linkage descriptor — дескриптор присоединения (0х4А) .................................... 194

6.13. NVOD reference descriptor — дескриптор ссылки на сервис NVOD (0x4B) ...... 195
6.14. Time shifted service descriptor — дескриптор сервиса с временным сдвигом

(0х4С) ....................................................................................................................... 196

6.15. Short event descriptor — краткий дескриптор события (0х4D) ............................ 196

6.16. Extended event descriptor — расширенный дескриптор события (0х4Е) ............ 196

6.17. Component descriptor — дескриптор компонентов (0х50) ................................... 197

6.18. Mosaic descriptor — дескриптор мозаики (0х51) .................................................. 198

6.19. Stream identifier descriptor — дескриптор идентификатора потока (0х52) ......... 198

6.20. CA identifier descriptor — идентификатор условного доступа (0х53) ................. 199

6.21. Content descriptor — дескриптор содержания (0х54) ........................................... 199

6.22. Parental rating descriptor — дескриптор возрастного рейтинга (0х55) ................ 200

6.23. Teletext descriptor — дескриптор телетекста (0х56) ............................................. 201

6.24. Local time offset descriptor — дескриптор местного времени (0x58) .................. 201

6.25. Subtitling descriptor — дескриптор субтитров (0х59) ........................................... 202
6.26. Terrestrial delivery system descriptor — дескриптор описания наземной сети

распространения (0х5А) ......................................................................................... 203
6.27. Multilingual network name descriptor — многоязычный дескриптор имени

сети (0х5В) .............................................................................................................. 203
6.28. Multilingual bouquet name descriptor — многоязычный дескриптор букета

(0х5С) ....................................................................................................................... 204
6.29. Multilingual service name descriptor — многоязычный дескриптор имени

сервиса (0х5D) ......................................................................................................... 204
6.30. Multilingual component descriptor — многоязычный дескриптор

компонентов (0х5E) ................................................................................................ 205

6.31. Service move descriptor — дескриптор перемещения сервиса (0х60) ................. 205
6 Оглавление

6.32. Short smoothing buffer descriptor — краткий дескриптор буфера (0х61) ............ 205

6.33. Frequency list descriptor — дескриптор списка частот (0х62) .............................. 207

6.34. Data broadcast descriptor — дескриптор данных (0х64) ....................................... 207

6.35. Scrambling descriptor — дескриптор скремблирования (0х65) ............................ 208

6.36. Data broadcast id descriptor — дескриптор идентификатора данных (0х66)....... 209

6.37. Cell list descriptor — дескриптор ячеек сети связи (0х6С) ................................... 209

6.38. Cell frequency link descriptor — дескриптор частот ячеек сети (0х6D) ............... 210
6.39. Announcement support descriptor — дескриптор поддержки объявлений

(0х6Е) ....................................................................................................................... 210

6.40. Adaptation field data descriptor — дескриптор данных поля адаптации (0х70) ...... 212

6.41. Service availability descriptor — дескриптор доступности сервиса (0х72) .......... 212
6.42. User defined descriptor — дескриптор, определенный пользователем

(0x80—0хFE) ........................................................................................................... 213
Глава 7. Распространение радиоволн, модуляция и канальное
кодирование ....................................................................................................... 215

7.1. Колебания и волны.................................................................................................... 215

7.2. Модуляция, несущая, спектр .................................................................................... 217

7.3. Преобразование Фурье ............................................................................................. 222

7.4. Что такое децибелы................................................................................................... 224

7.5. Характеристики антенн ............................................................................................ 225

7.6. Пиковая, средняя и эффективно излучаемая мощности ........................................ 228

7.7. Спектр сигнала цифрового телевидения ................................................................. 230

7.8. Полезный сигнал и помехи ...................................................................................... 232

7.9. Пропускная способность и формула Шеннона ...................................................... 232

7.10. Чувствительность приемника ................................................................................. 233

7.11. Расчет уровней сигналов в канале связи (пример) ............................................... 234

7.12. Распространение радиоволн в свободном пространстве ..................................... 235

7.13. Статистические модели распространения радиоволн .......................................... 240

7.14. Распространение радиоволн внутри помещений ................................................. 242

7.15. COFDM, QPSK, QAM ............................................................................................. 243

7.16. Символ COFDM ...................................................................................................... 249

7.17. Распространение радиоволн и затухание .............................................................. 250

7.18. Эффект Доплера ...................................................................................................... 256

7.19. Символ COFDM и защитный интервал ................................................................. 257

7.20. Иерархическая модуляция ...................................................................................... 261

7.21. Общие сведения о канальном кодировании в DVB ............................................. 266

7.22. Фрейм, суперфрейм, формирование сигнала, скорость передачи ...................... 275

7.23. Пилот-сигналы (pilots) ............................................................................................ 280

7.24. Сообщения о параметрах передачи (TPS) ............................................................ 282

7.25. Оценка качества цифрового канала связи и COFDM ........................................... 285
Глава 8. Сети цифрового телевидения.......................................................... 287

8.1. Сеть связи и частотно-территориальный план ....................................................... 287

8.2. Сравнение аналогового и цифрового приема ......................................................... 288
Оглавление 7

8.3. Рассуждения о надежности приема ......................................................................... 290

8.4. Виды абонентского приема (обзор) ......................................................................... 291

8.5. Фиксированный прием ............................................................................................. 292

8.6. Портативный прием .................................................................................................. 292

8.7. Мобильный прием ..................................................................................................... 293

8.8. Параметры сигнала для разных видов приема ....................................................... 293

8.9. Сравнение размеров зон приема аналогового и цифрового телевидения ............ 295

8.10. Измерение зоны приема цифрового телевидения ................................................ 299

8.11. Защитные отношения.............................................................................................. 304

8.12. Испытания совместимости сетей ........................................................................... 308
8.13. Одночастотные (SFN) и многочастотные (MFN) сети цифрового

телевидения ............................................................................................................. 311

8.14. Дескрипторы описания сети цифрового телевидения ......................................... 314

8.15. Использование гэпфиллеров (gap-filler) для построения одночастотной сети ..... 318

8.16. Мегафрейм и его использование для синхронизации одночастотной сети ....... 320

8.17. Использование RTP/UDP/IP для доставки MPEG TS до передатчиков ............. 324

8.18. Средства выделения программ из MPEG TS ........................................................ 329

8.19. Общая структура сети цифрового телевидения .................................................... 329

8.20. Особенности планирования сетей цифрового телевидения ................................ 331
Глава 9. Передача данных в сетях DVB ........................................................ 335

9.1. Стандарт DVB-DATA ............................................................................................... 335

9.2. Дескрипторы передачи данных................................................................................ 337

9.3. Конвейерная передача данных (data piping) ........................................................... 340

9.4. Передача асинхронных данных ............................................................................... 340

9.5. Передача синхронных и синхронизированных данных ......................................... 341

9.6. Мультипротокольная инкапсуляция — MPE .......................................................... 343

9.7. Адресация абонентских устройств при помощи IP/MAC ...................................... 346

9.8. Дополнительная защита МРЕ от помех (MPE-FEC) .............................................. 357

9.9. MPE и таймслайсинг (time-slice) .............................................................................. 361

9.10. Что такое DSM-СС? ................................................................................................ 366

9.11. Карусели данных ..................................................................................................... 367

9.12. Карусели объектов .................................................................................................. 374

9.13. Сервисы на базе каруселей (middleware) .............................................................. 376
9.14. Мультимедийная платформа для дома или МНР

(Multimedia Home Platform) .................................................................................... 377
Глава 10. Системы условного доступа .......................................................... 381

10.1. Общие сведения ...................................................................................................... 381

10.2. Общая структура системы условного доступа ..................................................... 383

10.3. Стандарты ETSI, касающиеся систем условного доступа ................................... 388

10.4. Размещение ECM и ЕММ в элементарном потоке .............................................. 388

10.5. Стандартная структура головной станции Simulcrypt .......................................... 389

10.6. PSI/SI для систем условного доступа .................................................................... 391
8 Оглавление

10.7. Дескремблирование в абонентском устройстве ................................................... 392

10.8. Оценки объема ЕММ-потока ................................................................................. 394

10.9. DVB-CI — интерфейс общего назначения для CAS ............................................ 395

10.10. САМ-модули и смарт-карты ................................................................................ 397

10.11. CI Plus — развитие интерфейса общего назначения .......................................... 399
Глава 11. Мобильное телевидение ................................................................. 401

11.1. Общие сведения ...................................................................................................... 401

11.2. Что такое мобильное телевидение? ....................................................................... 402

11.3. Стек протоколов, используемых в IPDC ............................................................... 403

11.4. Использование транспортных потоков ................................................................. 405

11.5. Архитектура IPDC ................................................................................................... 406

11.6. Порядок конфигурации сервисов .......................................................................... 409

11.7. Доступ к сервисам при помощи SDP, CDP и ESG ............................................... 411

11.8. Модуляция и канальное кодирование в мобильном телевидении (DVB-H) ...... 412

11.9. Использование иерархической модуляции ........................................................... 414

11.10. Дескрипторы MPEG TS для DVB-H .................................................................... 415

11.11. Обеспечение мобильности ................................................................................... 415
Глава 12. DVB-T2 — цифровое телевидение второго поколения
(обзор) .................................................................................................................. 419

Приложение 1. Краткий толковый словарь английских аббревиатур,
используемых в цифровом телевидении ...................................................... 429
Приложение 2. Таблица частот телевизионных каналов ......................... 451
Предметный указатель .................................................................................... 453
От автора

Цифровое телевидение постепенно приходит на смену привычному аналого-
вому, и тому есть очень важные причины: во-первых, это экономия радиочас-
тотного ресурса. Для передачи одного телевизионного канала аналогового
телевидения требуется полоса частот 8 МГц. Если используются технологии
цифрового телевидения, то в этой же полосе частот может быть передано не-
сколько телевизионных программ.
Во-вторых, цифровое телевидение обеспечивает в среднем более высокое ка-
чество телевизионной "картинки". Если качественный прием аналогового те-
левидения возможен только вблизи телецентров при наличии прямой види-
мости, то сигнал цифрового телевидения может быть качественно принят на
более обширной территории. При этом не важно, будет ли прямая видимость
от точки приема до передающей антенны. Цифровой телевизионный сигнал
выдерживает несколько переотражений без потери качества.
В России в 2005 году было принято решение о внедрении европейского стан-
дарта цифрового телевидения DVB. DVB — Digital Video Broadcasting (бук-
вально: "цифровое видеовещание") это обширный корпус стандартов, разра-
ботанных в Европе с 1991 года. Технологии, предлагаемые этими стандарта-
ми, тесно интегрированы с иными телекоммуникационными технологиями,
получившими распространение в Европе.
В этом состоит простота внедрения цифрового телевидения в России — ведь
стандарты уже разработаны. Но в этом же состоит и сложность — объем
стандартов обширен и далеко не все требуется практическому инженеру, за-
нимающемуся внедрением цифрового телевидения. Кроме того, стандарты
(как, наверное, любые стандарты во всем мире) страдают излишними пере-
крестными ссылками. Иногда для того, чтобы разобраться в вопросе (даже не
очень сложном), приходится "перелопачивать" не один стандарт, и даже не
два или три... Не говоря уже о том, что терминология, использующаяся в этих
стандартах, непривычна и требует отдельного изучения.
10 От автора
Есть и еще один крайне важный аспект: специализация инженеров. Дело в
том, что цифровое телевидение — технология, объединяющая в себе много
других технологий. Для того чтобы разобраться в ней, необходимо быть спе-
циалистом не только в области радиотехники, но и в области информацион-
ных технологий. На мой взгляд, последнее даже важнее, поскольку в стан-
дартах DVB речь идет основным образом об организации информации: соз-
дании и мультиплексировании транспортных потоков, компрессировании
изображения и т. п. По сути дела, цифровое телевидение не предлагает ниче-
го нового в области радиотехники, основные инновации содержатся в облас-
ти организации информации.
Если, допустим, радиоинженеру знание модели взаимодействия открытых
систем (OSI — Open Systems Interconnection, взаимодействие открытых сис-
тем) могло никогда не пригодиться в работе, то для понимания цифрового
телевидения знание этой модели становится принципиальным. Но модель
OSI уже из области компьютерных наук, информационных технологий.
Данная книга рассчитана в первую очередь как раз на "компьютерщиков",
которые работают или которым предстоит работать в сфере цифрового теле-
видения. Поэтому от читателя предполагаются некоторые базовые знания в
информационной сфере — основы Ethernet, знания OSI и т. п. В книге даются
элементарные сведения из радиоинженерной области, особенно в части
построения сетей связи цифрового телевидения. Эти сведения излагаются
упрощенно и ориентированы на использование на практике.
Радиоинженерам книга также будет полезна, поскольку современные техно-
логии практически полностью ушли в "цифровую" сферу и в процессе экс-
плуатации цифрового оборудования все меньше требуется знаний об анало-
говых цепях и т. п. Эксплуатация передатчика в 1970—1980 гг. требовала
этих знаний. Теперь они не являются жизненно необходимыми вследствие
развития цифровых дистанционных систем управления и контроля.
В книге дается сокращенное и упрощенное изложение технологий цифрового
телевидения, компрессирования изображения и звука, построения сетей свя-
зи, передачи данных по сетям цифрового телевидения, контроля качества
и т. п. Этот объем достаточен для практических инженеров, работающих на
цифровых телевизионных станциях, но будет недостаточен для разработчи-
ков оборудования — в этом случае необходимо обращаться к первоисточни-
кам, т. е. к текстам европейских стандартов и специализированной техниче-
ской литературе. Как правило, в тексте книги указаны документы, из которых
можно получить максимально полную информацию по той или иной тема-
тике.
Технические сведения, составляющие данную книгу, являются реферативным
изложением европейских стандартов ETSI (European Telecommunications